蚯蚓堆肥影響土壤健康和作物生長(zhǎng)的研究進(jìn)展

龐博文 李永梅 徐昆龍

摘要：對(duì)蚯蚓堆肥發(fā)展的歷史進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹，綜合近年的研究情況，分析蚯蚓堆肥未來(lái)的發(fā)展方向。蚯蚓堆肥自身具有良好的結(jié)構(gòu)，并含有大量的營(yíng)養(yǎng)元素和植物生長(zhǎng)激素。蚯蚓堆肥作為一種良好的土壤改良劑，可以改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤中微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性，吸附更多的重金屬離子。蚯蚓堆肥可以促進(jìn)作物的生長(zhǎng)，并起到增產(chǎn)增收的效果。在鹽漬化的土壤中，蚯蚓堆肥可以顯著增強(qiáng)作物對(duì)鹽脅迫的抗性;在連作的土壤中，蚯蚓堆肥可以控制土傳病害的傳播。蚯蚓堆肥可以消耗大量的固體廢棄物，并將其轉(zhuǎn)化為有效的肥料、土壤調(diào)節(jié)劑、植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑。

關(guān)鍵詞：蚯蚓堆肥;土壤改良;作物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)

近年來(lái)，由于耕作方式的不合理和保護(hù)措施的不完善，我國(guó)土壤面臨著酸化、鹽漬化、污染等一系列嚴(yán)重的問(wèn)題。一方面，高投高產(chǎn)的集約化農(nóng)業(yè)保證了糧食產(chǎn)量;但另一方面，集約化生產(chǎn)卻會(huì)導(dǎo)致土壤酸化、鹽漬化、土傳病害加重等問(wèn)題，嚴(yán)重的連作障礙最終還會(huì)使得作物減產(chǎn)甚至絕收[1]。農(nóng)藥、化肥的施用以及畜禽廢棄物排放的不規(guī)范，已經(jīng)嚴(yán)重影響了土壤和周圍水體的安全，有毒有害物質(zhì)最終會(huì)通過(guò)植物的富集作用影響到人們的餐桌安全[2]。眾所周知，化肥的長(zhǎng)期使用不僅會(huì)導(dǎo)致土壤鹽漬化等問(wèn)題，還會(huì)導(dǎo)致蔬菜中的硝酸鹽和亞硝酸鹽含量超標(biāo)。而基于我國(guó)國(guó)情，很多情況下不得不采用連作的方式進(jìn)行種植。許多作物（例如三七）的根系向土壤中分泌化感自毒物質(zhì)，導(dǎo)致微生物區(qū)系的失調(diào)，最終導(dǎo)致連作情況下的種苗成活率不到10%[3-4]。因此，采用綠色有機(jī)的耕作方式提高作物的產(chǎn)量與品質(zhì)，并防止食品污染的發(fā)生，成為人們一直以來(lái)研究的熱點(diǎn)。

資料顯示，我國(guó)2015年所產(chǎn)生的牲畜糞尿總量為2.399×109 t，其中牲畜糞總量為1.615×109 t[5];我國(guó)的秸稈年產(chǎn)量已超過(guò)8×108 t[6]。在我國(guó)農(nóng)村，普遍存在堆肥發(fā)酵不充分和秸稈焚燒的問(wèn)題。未經(jīng)發(fā)酵或發(fā)酵不充分的糞肥施用到土壤中可導(dǎo)致病蟲(chóng)害的傳播，秸稈焚燒會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的空氣污染問(wèn)題。在城市中，每天也會(huì)產(chǎn)生大量的腐爛蔬菜與水果，若處理不當(dāng)也會(huì)對(duì)市民的生活環(huán)境與身體健康產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

蚯蚓是一種常見(jiàn)的土壤生物。與許多其他土壤生物一樣，蚯蚓可以通過(guò)釋放信號(hào)分子等多種方式，提高植物的養(yǎng)分吸收和抗病能力，以促進(jìn)植物生長(zhǎng)[7]。蚯蚓可以吸食腐敗的蔬菜和水果等有機(jī)物，通過(guò)腸道的微生物作用，產(chǎn)出蚯蚓堆肥[8]。前期研究證明，在蚯蚓生產(chǎn)蚯蚓堆肥的過(guò)程中，被蚯蚓攝入的有機(jī)物中的營(yíng)養(yǎng)成分會(huì)被轉(zhuǎn)化成利于植物吸收的可溶性鉀、硝酸鹽、可交換磷等形式[9]。而因?yàn)轵球径逊时旧砭哂辛己玫慕Y(jié)構(gòu)及化學(xué)性質(zhì)，施用蚯蚓堆肥可顯著增加土壤的透氣性和保水性[8]。較高的投入和較慢的生產(chǎn)速度限制了蚯蚓堆肥的發(fā)展空間[10]。但如果從合理消耗牲畜糞便、腐爛的蔬菜水果等有機(jī)廢棄物的角度來(lái)講，蚯蚓堆肥的推廣有利于化肥減量施用與農(nóng)業(yè)資源循環(huán)利用的發(fā)展。

1 蚯蚓堆肥概述

蚯蚓處理的土壤數(shù)量?jī)H次于螞蟻和白蟻[11]。不同于會(huì)產(chǎn)生高溫的普通堆肥方式，蚯蚓堆肥是蚯蚓吸食環(huán)境中腐爛的蔬菜、水果等有機(jī)物質(zhì)，經(jīng)過(guò)蚯蚓腸道中微生物的作用，將一部分碳以CO2的形式釋放出去，另外產(chǎn)生利于植物吸收的可溶性鉀、硝酸鹽、可溶性磷以及有機(jī)化合物的過(guò)程[8-9，12]。蚯蚓堆肥具有良好的結(jié)構(gòu)性，在施入土壤之后可增加土壤的透氣與保水能力，其所含的有機(jī)質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)元素可有效提高土壤有機(jī)質(zhì)含量和肥力[8，13]。因此，蚯蚓堆肥被視為一種環(huán)境友好的土壤改良劑與肥料。

1.1 蚯蚓堆肥的發(fā)展歷程

在20世紀(jì)末，有大量的科學(xué)家對(duì)蚯蚓堆肥產(chǎn)生了濃厚的興趣，在此之后蚯蚓堆肥技術(shù)不斷發(fā)展，成為了一種日趨成熟的環(huán)境友好型技術(shù)[14]。Frank等在1983年初發(fā)表了第1篇有關(guān)于研究蚯蚓堆肥的文章[15]。最開(kāi)始的蚯蚓堆肥是將植物殘?bào)w與有機(jī)肥、污泥混合或者將其放置于普通堆肥之上進(jìn)行生產(chǎn)的[15-18]。蚯蚓堆肥所需要的時(shí)間大約為3周[19]。接下來(lái)，有研究者提出不采用添加動(dòng)物糞便和普通堆肥等輔助手段，直接用榨汁后的葡萄殘?jiān)鼜U料進(jìn)行蚯蚓堆肥，消耗時(shí)間大約為15 d[20]。但在此時(shí)，人們對(duì)于蚯蚓堆肥生產(chǎn)的認(rèn)識(shí)僅停留在表層，在生產(chǎn)中，蚯蚓與原材料的配比、蚯蚓堆肥的堆肥化程度及其生產(chǎn)效率都處于不明確的狀態(tài)。

蚯蚓堆肥對(duì)動(dòng)物糞便和普通堆肥的依賴曾導(dǎo)致了諸多問(wèn)題的出現(xiàn)。首先，若采用此種方法，在處理大量植物殘?bào)w的同時(shí)需要消耗大量的動(dòng)物糞便或普通堆肥，不僅生產(chǎn)成本較昂貴，并且動(dòng)物糞便和普通堆肥在運(yùn)輸或預(yù)堆肥時(shí)也造成了溫室氣體的排放[21-22]。相對(duì)較長(zhǎng)的處理時(shí)間，較低的經(jīng)濟(jì)適用性和未定量化產(chǎn)出，也成為生產(chǎn)蚯蚓堆肥的最大短板。

在近些年的研究中，Abbasi等提出了高效植物殘?jiān)球径逊驶母拍頪14]。與常規(guī)的堆肥有著顯著的不同，蚯蚓堆肥是一個(gè)連續(xù)的生物處理過(guò)程。在蚯蚓堆肥的生產(chǎn)過(guò)程中可以不斷添加原料，這使得以使用傳統(tǒng)堆肥的C ∶ N數(shù)據(jù)來(lái)衡量蚯蚓堆肥的進(jìn)程存在諸多的不合理性[23]。因?yàn)轵球径逊实纳a(chǎn)具有連續(xù)性，若要蚯蚓堆肥的C ∶ N達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的數(shù)值，則很有可能導(dǎo)致蚯蚓被迫吸食自己產(chǎn)生的蚯蚓堆肥進(jìn)行二次堆肥化，這種情況十分不利于蚯蚓堆肥的生產(chǎn)。

早在2001年便有研究者提出，對(duì)于植物殘?jiān)鼜尿球疚车酵耆a(chǎn)生蚯蚓堆肥僅需要12～18 h[24]。這個(gè)時(shí)間遠(yuǎn)小于我們之前所提到的3周或15 d。Abbasi等通過(guò)改良蚯蚓堆肥工具的幾何形狀，增加了蚯蚓與基質(zhì)的接觸面積，有效防止了厭氧菌的發(fā)酵，保證了濕度的均勻以及蚯蚓堆肥的收集，并通過(guò)添加砂礫作為堆肥層的方式，有效保證了蚯蚓堆肥的生產(chǎn)[14]。以上技術(shù)可以大大縮短蚯蚓堆肥所消耗的時(shí)間和成本，使得直接對(duì)植物殘?bào)w進(jìn)行蚯蚓堆肥成為了可能。具有大量養(yǎng)分、植物激素、驅(qū)蟲(chóng)成分的蚯蚓堆肥在實(shí)現(xiàn)高效生產(chǎn)后，將造福于有機(jī)固體廢棄物的處理、土壤改良與植物生產(chǎn)[24]。

1.2 蚯蚓堆肥與普通堆肥的區(qū)別

蚯蚓堆肥與普通堆肥有著諸多的區(qū)別。雖然蚯蚓堆肥和普通堆肥都是通過(guò)微生物的作用來(lái)實(shí)現(xiàn)堆肥化，但蚯蚓堆肥化與普通堆肥化的場(chǎng)所、方式、溫度等方面均有所不同，這最終導(dǎo)致了兩者的性質(zhì)、構(gòu)成、作用有著顯著的差異。

首先，蚯蚓堆肥化發(fā)生的場(chǎng)所是在蚯蚓的腸道內(nèi)，而普通堆肥化的場(chǎng)所為空曠場(chǎng)所的堆積堆中[9]。隨著研究的深入，蚯蚓堆肥的生產(chǎn)也形成了特定的容器，以節(jié)約生產(chǎn)成本和提高生產(chǎn)效率[14]。普通堆肥化需要經(jīng)歷高溫過(guò)程，而蚯蚓堆肥化是在活體中進(jìn)行的，所以不會(huì)經(jīng)歷高溫過(guò)程。這直接導(dǎo)致了蚯蚓堆肥中含有相對(duì)平衡的微生物群落結(jié)構(gòu)，進(jìn)而能夠起到控制土傳病害的效果。其次，蚯蚓堆肥和普通堆肥的生產(chǎn)方式有所不同。區(qū)別于普通堆肥的一次性生產(chǎn)，蚯蚓堆肥的生產(chǎn)過(guò)程是連續(xù)的，在蚯蚓堆肥化的過(guò)程中需要不斷地投入原料，蚯蚓堆肥也會(huì)不斷地產(chǎn)出[23]。另外，蚯蚓堆肥不像普通堆肥一樣帶有嚴(yán)重的氣體污染、病原菌傳播和水體污染問(wèn)題。有研究證明，普通堆肥在高溫發(fā)酵的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的溫室氣體且有傳播病原菌的可能，堆肥中的氮流失最終也會(huì)污染水體[25]。而蚯蚓堆肥自身含有大量的益生菌，有科學(xué)家從蚯蚓堆肥中分離出可用于控病的枯草芽孢桿菌M29菌株[26]，且蚯蚓堆肥不經(jīng)歷高溫過(guò)程，不會(huì)殺滅其中的微生物，其最終產(chǎn)物中的固相和液相部分均可以被利用。因此，蚯蚓堆肥和普通堆肥的可利用部分存在較大差異。普通堆肥因?yàn)榻?jīng)歷高溫且只含固形物，只能作為有機(jī)質(zhì)歸還土壤;而蚯蚓堆肥除可作為有機(jī)質(zhì)回歸土壤外，還可以用來(lái)控制土傳病害，經(jīng)過(guò)固液分離得出的液體部分可以用作葉面肥和水溶肥。

綜上所述，蚯蚓堆肥不僅可以有效避免普通堆肥帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題和病原菌傳播問(wèn)題，還可以幫助土壤恢復(fù)群落結(jié)構(gòu)的平衡，進(jìn)而保證生產(chǎn)活動(dòng)的正常進(jìn)行。并且蚯蚓堆肥中含有的營(yíng)養(yǎng)元素、營(yíng)養(yǎng)活化劑與植物激素可以更好地促進(jìn)作物的生長(zhǎng)。

2 蚯蚓堆肥對(duì)土壤的影響

眾所周知，肥力是土壤的本質(zhì)，尤其是在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，土壤的肥力顯得尤為重要。而正是因?yàn)閷?duì)土壤肥力的追求，人們才大量使用化肥。化肥的使用雖然能夠達(dá)到增產(chǎn)增收的效果，但其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中對(duì)土壤也產(chǎn)生了大量負(fù)面影響。土壤酸化、土壤鹽漬化、土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的破壞導(dǎo)致土壤質(zhì)量變差，最終直接影響到了糧食的生產(chǎn)。因此，近年來(lái)人們一直在進(jìn)行土壤改良劑和化肥減量施用的研究和嘗試。而蚯蚓堆肥作為一種環(huán)境友好的、具有疏松多孔結(jié)構(gòu)并含有大量的有機(jī)質(zhì)、養(yǎng)分、植物激素等物質(zhì)的土壤改良劑和肥料，剛好適合我們目前的需求[8，24]。

在另一方面，由土壤帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題也一直困擾著人們。其中，因重金屬的排放導(dǎo)致土壤背景值超標(biāo)的問(wèn)題一直嚴(yán)重干擾著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與人們的健康?？茖W(xué)家們?cè)诜e極嘗試采用鈍化劑將污染物鈍化，或采用活化劑和富集植物配合的方式將土壤中的重金屬吸附走。而蚯蚓堆肥因其獨(dú)特的性質(zhì)受到了研究者們的關(guān)注。有部分科學(xué)家對(duì)蚯蚓堆肥與重金屬污染的關(guān)系進(jìn)行了探究。

2.1 蚯蚓堆肥對(duì)土壤肥力的影響

蚯蚓堆肥是蚯蚓體內(nèi)微生物對(duì)植物體殘?jiān)騽?dòng)物糞便進(jìn)行處理的產(chǎn)物，因此一提到蚯蚓堆肥，大家首先想到的便是有機(jī)質(zhì)[8]。但有機(jī)質(zhì)并非蚯蚓堆肥的唯一成分，蚯蚓堆肥中還含有大量的營(yíng)養(yǎng)元素、植物激素以及微生物等[24]。這使得蚯蚓堆肥不僅能夠提高土壤的有機(jī)質(zhì)含量，其釋放出的物質(zhì)還能夠保證土壤的長(zhǎng)效肥力以及糧食安全[13，25-27]。

近些年有研究結(jié)果證明，蚯蚓堆肥與化肥配施可有效防止土壤中氮、磷元素的流失，但用作覆蓋物（即撒施蚯蚓堆肥）對(duì)土壤表面氮、磷含量的變化并未起到顯著作用[28]。也有研究表明，在石灰性土壤上施用蚯蚓肥可得到完全不一樣的效果。Parastesh等的研究結(jié)果表明，蚯蚓堆肥中含有一種名為溶磷細(xì)菌的微生物，可通過(guò)其自身的生化反應(yīng)將固定在土壤中的磷元素釋放出來(lái)，即使在不施用磷肥的情況下也可以保證磷素的供應(yīng)[29]。Gupta等的研究也表明，隨著蚯蚓堆肥施用量的增加，土壤中磷酸酶的活性顯著增加，且作物的磷吸收量也相應(yīng)增加[30]。蚯蚓堆肥一方面可以通過(guò)螯合作用增加土壤中可被植物利用的礦質(zhì)元素的含量，另一方面也可以通過(guò)提高土壤保水率等方式阻止土壤中氮素和磷素的流失，起到很好的保水保肥的作用[29，30-33]。

綜上所述，在石灰性土壤中可施用蚯蚓堆肥，降低土壤pH值，并將固定在土壤中的磷釋放出來(lái)以滿足作物對(duì)磷元素的需求。在水土流失較為嚴(yán)重的地方或污染較為嚴(yán)重的水體周圍，可以采用蚯蚓堆肥固持水土，保證營(yíng)養(yǎng)元素尤其是硝酸根離子不被雨水淋失，以保障養(yǎng)分的供應(yīng)，并防止水體的富營(yíng)養(yǎng)化。蚯蚓堆肥可以防止施用的磷肥被固定在土壤中，還能將土壤中閉蓄態(tài)的磷轉(zhuǎn)化為可利用的磷，大大減少磷肥的用量。蚯蚓堆肥在保持水土、釋放土壤養(yǎng)分、提高化肥的養(yǎng)分利用率、增加土壤的有機(jī)質(zhì)含量等方面均有效果，有利于資源的可持續(xù)利用。

2.2 蚯蚓堆肥對(duì)土壤微生物的影響

眾所周知，土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)及其平衡對(duì)土壤有重要的影響。土壤微生物也同樣是連作障礙及土傳病害蔓延的關(guān)鍵因素。近些年化肥的施用，使得土壤中微生物的生態(tài)環(huán)境變得更加脆弱[34]，因此，我們需要依靠外源添加的方式，向土壤中添加有機(jī)質(zhì)和有益菌，以維持微生物群落結(jié)構(gòu)的平衡并抑制病原菌的傳播。

在制造蚯蚓堆肥的過(guò)程中，其產(chǎn)物中細(xì)菌群落功能的多樣性呈不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì)，細(xì)菌的代謝能力、鏈霉素和水楊酸合成及硝化作用得到了不斷加強(qiáng)，這些反應(yīng)揭示了蚯蚓堆肥改良土壤的原因[35-36]。有研究證明，蚯蚓堆肥的施用可以顯著提高秋葵根際土壤的生物量，隨著蚯蚓堆肥施用量的增加，根際土壤的生物量也逐漸增加[30]。但也有研究表明，蚯蚓堆肥的施用會(huì)顯著降低韭菜根際土壤的真菌群落豐度，進(jìn)而喪失真菌群落的多樣性[37]。Zhao等的研究表明，蚯蚓堆肥可以通過(guò)顯著增加細(xì)菌菌群的豐度和多樣性來(lái)抑制連作番茄根際土壤中鐮刀菌的繁殖;而且，蚯蚓堆肥的添加不僅可以增加土壤中細(xì)菌的豐度，同時(shí)抑制有害菌的生長(zhǎng)以達(dá)到菌落的生態(tài)穩(wěn)定性，還可以降解土壤中因連作積累的酚酸類自毒物質(zhì)[38]。有研究表明，蚯蚓堆肥中的提取物可以有效降低南方根結(jié)線蟲(chóng)孵化率并顯著提升其死亡率，還可以顯著降低番茄的根瘤數(shù)量[39]。

綜上所述，蚯蚓堆肥通過(guò)影響作物的生理指標(biāo)和生長(zhǎng)過(guò)程，進(jìn)而改善作物的品質(zhì)并增強(qiáng)其可食用性與耐存儲(chǔ)性，在保證產(chǎn)量的同時(shí)為人們提供更好的品質(zhì)。

4 結(jié)論與展望

在過(guò)去的作物生產(chǎn)中，蚯蚓堆肥從未形成過(guò)一定的體系或定量的標(biāo)準(zhǔn)，但這些問(wèn)題將在不遠(yuǎn)的將來(lái)得到解決，這就意味著蚯蚓堆肥的量產(chǎn)將成為可能。蚯蚓堆肥的品種也將得到不斷的細(xì)化，未來(lái)的市場(chǎng)上將會(huì)出現(xiàn)性質(zhì)不同、用途不同、效果不同的蚯蚓堆肥，以滿足不同土壤、不同作物、不同種植方式的需求。如此，在不斷產(chǎn)生大量有機(jī)固體廢棄物的同時(shí)，可以將其中的大部分轉(zhuǎn)化為可再利用的肥料，這將有利于資源的循環(huán)利用與農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

蚯蚓堆肥可以通過(guò)自身良好的性質(zhì)減緩?fù)寥浪峄Ⅺ}漬化進(jìn)程，也可以對(duì)水中和存在于土壤中的游離態(tài)離子進(jìn)行吸附固定。在土壤改良方面，將進(jìn)一步對(duì)蚯蚓堆肥進(jìn)行定量分析，將蚯蚓堆肥的施用定量化、合理化、多樣化。在面對(duì)重金屬離子污染方面，已出現(xiàn)蚯蚓堆肥改性劑以增加其對(duì)金屬離子的穩(wěn)定吸附效果，將來(lái)會(huì)出現(xiàn)更多的蚯蚓堆肥改性劑，并實(shí)現(xiàn)蚯蚓堆肥吸附金屬離子的定量化。蚯蚓堆肥的施用將會(huì)對(duì)土壤性質(zhì)改良以及土壤污染防控起到重要作用。

未來(lái)對(duì)蚯蚓堆肥研究可能將在以下幾個(gè)方面展開(kāi)。第一，隨著對(duì)蚯蚓研究的深入，科研工作者們將會(huì)進(jìn)一步研究蚯蚓堆肥的科學(xué)生產(chǎn)方式，面對(duì)城市和鄉(xiāng)村有機(jī)廢棄物的處理將會(huì)形成統(tǒng)一的蚯蚓堆肥標(biāo)準(zhǔn)。第二，隨著更多科研精力的投入，將會(huì)有更多的有益菌從蚯蚓堆肥中篩取出來(lái)。第三，隨著蚯蚓堆肥量產(chǎn)的實(shí)現(xiàn)，將會(huì)有更多研究將蚯蚓堆肥與益生菌、肥料或各種土壤改良劑配合施用，以探求更多解決土壤問(wèn)題的方式。

蚯蚓堆肥從生產(chǎn)到施用，完成了資源的再利用，也避免了因農(nóng)藥化肥的不恰當(dāng)使用帶來(lái)的種種環(huán)境問(wèn)題。僅從生產(chǎn)和施用這2個(gè)環(huán)節(jié)來(lái)講，蚯蚓堆肥可能存在一些成本投入，但對(duì)于全球的資源循環(huán)與保護(hù)的問(wèn)題上，節(jié)約下的成本將遠(yuǎn)小于我們花費(fèi)的成本。技術(shù)的成熟使得蚯蚓堆肥具有量化生產(chǎn)的可能，而科學(xué)的發(fā)展將會(huì)進(jìn)一步完善蚯蚓堆肥從生產(chǎn)到施用再到生效的整個(gè)鏈條，為農(nóng)業(yè)資源的可持續(xù)利用和有機(jī)農(nóng)業(yè)的發(fā)展作出巨大貢獻(xiàn)。

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